Budujemy laboratorium. Jak zaprojektować laboratorium pomiarowe i wzorcujące do długości i kąta? Część 1: pomieszczenie i środowisko

Na drodze nieustannego rozwoju wiele firm staje pewnego dnia przed koniecznością odpowiedzi na fundamentalne pytanie: jak zaprojektować laboratorium pomiarowe i/ lub wzorcujące tak, żeby popełnić jak najmniej błędów? Jeżeli w strukturach firmy laboratorium czy też tradycyjna „izba pomiarowa” funkcjonowały od dawna sprawa wydaje się względnie prosta – zadanie polegało będzie na dostosowaniu pomieszczenia do obecnych standardów oraz ewentualnie jego doposażeniu. Co jednak w przypadku gdy laboratorium pomiarowe zaprojektować trzeba od podstaw? Niezależnie w której sytuacji się znajdziecie warto poświęcić odpowiednio dużo czasu na solidny i przemyślany projekt. Dodatkowo jeśli nie czujemy się w tej dziedzinie mocni i nie dysponujemy odpowiednim doświadczeniem, najlepszym co możemy zrobić jest skorzystanie z pomocy specjalisty.

W dzisiejszym wpisie – części pierwszej z nowego cyklu pt. „Budujemy laboratorium” – przedstawię garść porad i kwestii do rozważenia, które mogą zaoszczędzić Wam masę czasu, nerwów i pieniędzy. Jako że niejedno laboratorium miałem okazję projektować i uruchamiać dzielę się z Wami doświadczeniami opartymi często na popełnionych błędach. Część druga poświęcona będzie wyposażeniu pomiarowemu i pomocniczemu.

Pamiętaj: Projektowanie laboratorium długości i kąta to projekt interdyscyplinarny — łączy architekturę, instalacje, metrologię i zarządzanie jakością. Każda decyzja projektowa ma konsekwencje metrologiczne lub ekonomiczne.

Tyle tytułem wstępu, tymczasem pora przejść do odpowiedzi na tytułowe pytanie, mianowicie jak zaprojektować laboratorium pomiarowe z prawdziwego zdarzenia?

Określenie roli laboratorium i organizacja

Pierwszą rzeczą jaką należy ustalić jest zakres działalności naszego laboratorium. Które z poniższych czynności mają być w nim wykonywane?

• Kontrola jakości produkcji
• Kontrola dostaw
• Wszelkie zadania pomiarowe związane z kwalifikacją części, reklamacjami, pracami rozwojowymi
• Sprawdzanie własnych narzędzi pomiarowych
• Przechowywanie i wydawanie narzędzi
• Naprawa narzędzi

Następnie warto zastanowić się nad wagą oraz podziałem wskazanych wyżej zadań, aby odpowiedzieć sobie na pytanie o docelową ilość pomieszczeń. Kwestię tę uzupełnić należy poprzez ustalenie zakładanj liczby pracowników przebywających w pomieszczeniach laboratoryjnych. Dlaczego jest to tak ważne? Generalnie nie jestem zwolennikiem tworzenia jednego pomieszczenia, w którym odbywa się bieżąca kontrola jakości wyrobów i wzorcowanie sprzętu. Zwracam uwagę, że codzienna praca kontrolerów jakości wiąże się ze sporym ruchem, a ruch nie sprzyja utrzymaniu stabilnych warunków środowiskowych. Jeżeli samodzielne wzorcowanie jest realizowane codziennie, a więc proces jest istotny, sugeruję przeznaczenie na ten cel osobnego pomieszczenia. Dodatkowo jeśli w firmie wzorcowane są zarówno narzędzia uniwersalne i wzorce, rozważyć można dalszy podział na dwa pomieszczenia, w którym utrzymywane będą mniej i bardziej rygorystyczne warunki klimatyczne.

Nawet jeśli nie planujesz teraz akredytacji, zapoznaj się z normą ISO/IEC 17025 jako źródłem najlepszych praktyk laboratoryjnych.

Dobrą praktyką jest także wydzielenie biura personelu laboratorium w pomieszczeniu innym niż to, w którym wykonywane są precyzyjne pomiary.

Podłoże

Zacznijmy od podstaw, czyli podłoża. Zacznijmy o ile to możliwe od ulokowania laboratorium w miejscu możliwe wolnym od wibracji. Typowe źródła wibracji w firmach produkcyjnych to:

• Praca ciężkich maszyn
• Transport poziomy – wózki widłowe, rampa załadunkowa

Wpływać mogą także zewnętrzne źródła wibracji jak choćby bliskość torów kolejowych czy drogi. Możemy także być obciążeni działalnością firm sąsiednich.

Jeżeli zidentyfikujemy takie źródła wibracji jako niemożliwe do wyeliminowania, możemy zastosować dylatację albo całego pomieszczenia laboratorium albo przynajmniej części przeznaczonej do ulokowania najbardziej wrażliwych sprzętów (maszyny pomiarowe, konturografy, strefa pod płytę granitową). Ewentualnie rozważmy stoły antywibracyjne dla wrażliwych na drgania stanowisk.

Wybierając rodzaj posadzki warto wziąć pod uwagę łatwość w utrzymaniu czystości ale i prozaiczny z powodu fakt, że miękka podłoga zmniejsza ryzyko uszkodzenia przyrządu przy upadku.

Przy stanowiskach wymagających długiej pracy stojącej świetnie sprawdzają się maty przeciw zmęczeniowe, które przy okazji pełnią funkcję ochronną związaną z akapitem wyżej.

Umeblowanie i rozplanowanie laboratorium

Podstawową kwestią jest dobór stołów laboratoryjnych ewentualnie warsztatowych, na których przechowywane są urządzenia oraz wykonuje się pomiary. Nic tak nie utrudnia pracy jak zbyt mała przestrzeń robocza. Stoły powinny być stabilne, o grubym blacie (najlepiej 40 mm wzwyż) i odpowiedniej wysokości. Dobierając stoły starajmy się przewidzieć i zaplanować ich przeznaczenie – jakie sprzęty będą na nich ustawione? Czy pomiary wykonywane będą na siedząco czy stojąc? Bez problemu kupimy stoły o długości blatu 2000 mm, ale co gdy potrzeba więcej? Znajdziecie bez problemu firmy, które zrobią Wam na zamówienie, ale głupio byłoby przeoczyć to na tym etapie…

Porada: dla ułatwienia sobie życia i zachowania czystości stanowisk pomiarowych warto zrezygnować z półek na ścianach ponad blatami. Zbierający się tam kurz nie pomaga ani w kwestii czystości ani estetyki. Zaplanuj składowanie drobnego sprzętu w zamykanych szafkach pod blatami. Znakomicie wpływa to tak na porządek jak i bezpieczeństwo przyrządów.

Pamiętajmy także, że wiele urządzeń i wzorców wymaga specjalnego traktowania i zabezpieczania – ot choćby wzorzec odniesienia. Idealnie gdyby był przechowywany w zamykanej szafie lub strefie o ograniczonym dostępie.

Zresztą ograniczenie dostępu do samego laboratorium lub stref wydzielonych to jedno z głównych narzędzi pozwalające spełnić wymagania normy ISO/IEC 17025, a więc w zasadzie każdego poważnego laboratorium. Dlaczego?

Ponieważ pozwala na stosunkowo skuteczne rozwiązanie wymaganych przez w/w normę kwestii związanych z poufnością, bezpieczeństwem danych i ochroną prywatności.

Przestrzeń i ergonomia

Zbyt małe laboratorium to wieczny brak miejsca oraz potykanie się o sprzęty i kolegów, trudności z klimatyzacją detali i problemy z BHP. Projektując laboratorium uwzględnić musimy wymagania prawne a więc minimum: 2 m² wolnej powierzchni podłogi (niezajętej przez urządzenia) oraz 13 m³ objętości na każdego pracownika .

Istotna jest także ilość swobodnej przestrzeni wokół urządzeń. Wymagania dyktuje tu rodzaj działalności laboratorium: pomiary małych detalu i wzorcowanie niewielkich zakresów nie wymagają tyle pola manewru co duże. Niemniej dobre praktyki projektowe wymagają pozostawienia minimum 500 mm do 800 mm wolnej przestrzeni serwisowej i operacyjnej wokół obrysu maszyny, np. CMM czy też płyty pomiarowej.

Płyta pomiarowa z kolei – będąca sercem laboratorium – często rozdaje karty przy projektowaniu labo. Najlepiej bowiem, aby umieszczona była centralnie z dostępem z każdej strony.

Zaplanuj także miejsce na regały, na których detale będą leżakować w celu wyrównania temperatury przed pomiarem. To „martwa” przestrzeń, o której często zapomina się w fazie koncepcji, a warto złapać tu istotny balans: z jednej strony docelowa temperatura, z drugiej zwróć uwagę na obecność zanieczyszczeń. Przy tej okazji rozrysuj flow obiektów, czyli ich drogę od rozpakowania do zapakowania czy też od wejścia na regał dla oczekujących po strefę po pomiarach.

Duże maszyny i urządzenia najlepiej instalować na osobnych stołach. Powierzchnia, jaką należy uwzględnić dla jednego stanowiska to około 5 m2. A skoro jesteśmy przy gabarytach: etap planowania to najlepszy moment żeby zaplanować sposób umieszczenia dużych maszyn typu CMM czy płyty pomiarowej tak, aby uniknąć wtopy w sytuacji, gdy otwór drzwiowy okazuje się za wąski lub późniejszej rozbiórki ścian…

Przy tej okazji zweryfikuj nośność stropu jeśli labo lokujesz na piętrze.

Organizacja części biurowej: podział na strefy brudne/czyste

Jednym z najczęstszych błędów jest umieszczenie biurka do wypełniania dokumentów, drukarki i szafek na odzież (nie mówiąc już o miejscu do jedzenia) bezpośrednio w strefie pomiarowej. Dobrą praktyką jest wydzielenie stref czystej i brudnej:

• Strefa „brudna” (rozpakowywanie detali, wstępne czyszczenie, szafki na ubrania, drukarki generujące pył papierowy, strefa kawowa) musi być fizycznie oddzielona od strefy
• Strefa „czysta” (pomiary precyzyjne).

Idealnie byłoby między nimi zastosować strefę buforową oraz śluzę.

Lokalizacja

Idealnie byłoby ulokować nasze laboratorium od strony północnej. Warto przewidzieć możliwość zaciemniania okien, zwłaszcza, jeśli korzystać będziemy z optycznych urządzeń typu projektory czy mikroskopy.

Generalnie lepiej jest wybrać lokalizację zapewniającą naturalnie możliwie najlepsze warunki zamiast walczyć z nimi wyrafinowanym systemem klimatyzacji. Najlepsza opcja to ulokowanie laboratorium pod ziemią lub w przyziemiu, ale to oczywiście nie zawsze jest możliwe.

Dobrze jest także zapewnić izolację od silnych źródeł pola elektromagnetycznego.

Warunki środowiskowe

Norma PN-EN ISO 1:2016 ustala 20°C jako normalną temperaturę odniesienia dla pomiarów geometrycznych. Ważny niuans: chodzi o temperaturę materiału – obiektu mierzonego, nie powietrza. Dlatego sama klimatyzacja to za mało — konieczna jest strefa aklimatyzacji, w której przyrządy i detale „dochodzą” do temperatury laboratorium przed pomiarem (najlepiej minimum 3 godziny, ale już wzorcowanie płytek wzorcowych wymaga kondycjonowania przez najlepiej 24 godziny…).

Płytka wzorcowa stalowa o długości 100 mm rozszerza się o około 1 µm na każdy 1°C zmiany temperatury. Dla mikrometru klasy 1 (np. tolerancja ±4 µm wg DIN 863/ ISO 3611) to już 25% dopuszczalnego błędu — z samej temperatury…

O ile wymaganie 20°C jest powszechnie znane, tak już określenie „widełek” bywa problematyczne. Mamy wprawdzie mało znaną normę PN-ISO 554:1996 – Normalne warunki atmosferyczne klimatyzacji i/lub badań — Wymagania, jednak jest ona ogólnikowa i wprowadza jedynie podział na obszary zastosowań. Warto więc posłużyć się danymi na temat właściwości materiałów czy specyfikacją sprzętu, jednak nic nie zastąpi inżynierskiego obliczenia dopuszczalnych do naszych zastosowań zakresów zmienności.

Doświadczenie zaleca przyjąć progi podobne do poniższych wymagań zależnych od klasy laboratorium:

• Wzorcowanie narzędzi warsztatowych: 20°C ± 2°C
• Laboratorium precyzyjne, mierzące poniżej 0,01 mm: 20°C ± 1°C
• Pomieszczenie CMM: 20°C ± 0,5°C z kontrolą gradientu przestrzennego ≤ 1°C/m
• Wzorcowanie płytek wzorcowych najlepiej 20°C ± 0,1°C

Poza temperaturą pilnować powinniśmy także wilgotności. O ile nie wpływa ona bezpośrednio na wyniki pomiarów w metrologii długości, tak zbyt wysoka (powyżej 60%) przyspiesza korozję. Warto dodać, że dla bardzo precyzyjnych stalowych wzorców (płytki klasy 0) nawet 45-50% bywa progiem, powyżej którego zaleca się ich konserwowanie po każdym użyciu. Będziesz to robił, prawda?

Zbyt niska natomiast ogranicza komfort pracy operatora oraz powoduje nadmierną elektrostatykę. Elektrostatyka zresztą to kolejny aspekt do rozważenia jeśli w laboratorium pracować mają konturografy czy chropowatościomierze, a więc sprzęty na tę kwestię wrażliwe. Zależność: im niższa wilgotność, tym wyższy ładunek i tym dłużej się utrzymuje. Przy wilgotności 10–20% (typowe dla zimowego ogrzewania bez nawilżania) ładunek na plastiku może utrzymywać się przez godziny. Przy 65–90% RH ten sam ładunek zanika w ciągu sekund — wilgoć na powierzchni tworzy cienką warstwę przewodzącą, przez którą ładunek odpływa.

Na czym polega problem z elektrostatyką?

Elektrostatyka przeszkadza nam na dwa główne sposoby:

1. Naładowana powierzchnia działa jak elektrostatyczny magnes na mikroskopijne cząsteczki kurzu unoszące się w powietrzu. Przeszkadza to w zerowaniu urządzeń, czyszczeniu powierzchni, przywieraniu płytek wzorcowych i szklanych.

2. Zakłócenia układów elektronicznych i optycznych. Silne pola elektrostatyczne mogą destabilizować czułe głowice pomiarowe oraz powodować zmiany wskazań czujników opartych o indukcję.

Jednym ze sposobów na rozwiązanie problemu jest zastosowanie jonizatorów powietrza.

O samej temperaturze i klimatyzacji można by pisać osobny artykuł, tu jednak zwrócę uwagę na kilka istotnych kwestii:

• najważniejsza jest stabilność. Lepsza stabilna zbyt wysoka lub zbyt niska temperatura niż wahania w ciągu doby, a już nie ma nic gorszego niż włączanie klimatyzacji na początku zmiany i jej wyłączanie na koniec…
• upewnij się, że strumień powietrza z klimatyzacji nie jest kierowany bezpośrednio na sprzęt lub wzorce. Najlepszy będzie nawiew z sufitu, a jeśli dysponujesz tylko naściennym zadbaj o rozproszenie powietrza. Możesz zamocować płytę z plexi lub rękaw materiałowy.
• jeśli możliwe stosuj strefę buforową przed laboratorium lub śluzę powietrzną
• z racji kontrolowania gradientów temperatury grzejniki naścienne odpadają!

Pamiętaj też, że profesjonalne laboratorium powinno rejestrować warunki środowiskowe w sposób ciągły, z historią zapisów. Jest to element zapewnienia spójności pomiarowej!

Rozplanuj zatem całość z uwzględnieniem lokalizacji systemu czujników.

Oświetlenie

Precyzyjne pomiary długości, w tym odczytywanie często wytartych skali czy wizualna inspekcja powierzchni płytek wzorcowych albo ocena szerokości szczeliny liniałem to zadania wymagające wyjątkowego oświetlenia…

Ponownie punktem wyjścia nich będą przepisy prawa. Zgodnie z normą PN-EN 12464-1 (Oświetlenie miejsc pracy we wnętrzach), standardowe oświetlenie biurowe to 500 lx. Jednak dla laboratoriów i stanowisk precyzyjnej kontroli jakości norma wymaga od 750 do 1000 lx.

Istotna jest też temperatura barwowa: Najlepiej sprawdza się neutralna biel (4000 K), która sprzyja koncentracji i nie męczy wzroku przy wielogodzinnej pracy z mikroskopami czy komparatorami. Jest jednak wiele specyficznych zadań wymagających bądź to doświetlenia bądź stosowania odpowiedniego źródła światła, jak na przykład światło monochromatyczne do oceny płaskości metodą interferencyjną…

Czystość

W powietrzu mogą unosić się zanieczyszczenia wielkości od 0,1 aż do 100 mikrometrów! Nietrudno sobie wyobrazić, że mogą one spowodować powstanie błędu grubego w pomiarach. Nawet jeśli je zidentyfikujesz, to zmarnujesz czas na ponowne pomiary, a my chcemy tego unikać.

Fartuch i białe rękawiczki to nie relikt dawnej epoki a dowód na poważne podejście do jakości! Odróżniają one metrologa od Metrologa tak samo jak jedzenie w laboratorium czy naginanie wyników…

Nieważne czy chodzi o brudy z produkcji czy sierść kochanego labradora – nie życzymy sobie ani jednego ani drugiego w precyzyjnym laboratorium.

Noś fartuch, a jeśli niezbędne – także czepek (włos: 60-120 𝞵m!)

Powietrze powinno być filtrowane. Sprawdzą się filtry HEPA i dążenie do odpowiedniej klasy czystości. Standardowe laboratoria metrologiczne powinny dążyć do klasy czystości powietrza ISO 8 (lub ISO 7 dla laboratoriów najwyższej precyzji) wg normy PN-EN ISO 14644-1 . Wymaga to zastosowania centrali wentylacyjnej z filtrami absolutnymi (HEPA H13/H14). Jakości i czystości powietrza sprzyja też cyrkulacja „na zewnątrz” w stosunku do korytarzy i strefy biurowej . Dzięki temu, po otwarciu drzwi, czyste powietrze wypychane jest na zewnątrz, a kurz z korytarza nie jest zasysany do środka.

Aby skutecznie usuwać pył i utrzymywać stabilną temperaturę, system HVAC powinien zapewniać odpowiednią liczbę wymian powietrza na godzinę (często od 10 do 20 ACH dla środowisk precyzyjnych).

Wstępne usuwanie dużych zanieczyszczeń z obuwia wspomogą także maty klejące przed wejściem.

Aha – pomyśl o kwiatach pochłaniających kurz i oczyszczających powietrze. Przy okazji zrobi się przyjemniej:)

Media i instalacje techniczne

Aby uniknąć późniejszej plątaniny kabli i rynienek przygotuj się odpowiednio na poprowadzenie okablowania, w tym zasilania i internetu oraz przewodów sprężonego powietrza.

• Sprężone powietrze: Większość maszyn współrzędnościowych (CMM) pracuje na łożyskach powietrznych. Wymagają one powietrza o bardzo wysokiej klasie czystości (pozbawionego wody i oleju). Nie kombinuj: zwykły warsztatowy kompresor zniszczy maszynę za kilkaset tysięcy złotych.
• Zasilanie (UPS): Nagły zanik napięcia podczas wzorcowania trwającego 5 godzin to dramat – wie to każdy, kto stracił kilka godzin pracy po utracie zasilania… Stabilne zasilanie (szczególnie dla serwerów i czułych systemów) jest niezbędne.
• Ilość gniazdek: zasada taka jak w kuchni w domu – nie ma za dużej liczby gniazdek:)
• Zabezpieczenie przeciwpożarowe: standardowe tryskacze wodne lub gaśnice proszkowe w laboratorium to wyrok dla optyki i elektroniki. Warto przemyśleć systemy gaszenia gazem, które nie niszczą czułej aparatury pomiarowej.

Podsumowanie

Jak widzicie żeby stworzyć efektywne laboratorium nie wystarczy upchać przestrzeni odpowiednim sprzętem. Zwróćcie uwagę, że do kwestii sprzętu w ogóle jeszcze w artykule nie doszliśmy… Oczywiście trzeba mierzyć siły na zamiary, ale chcąc zbudować laboratorium, które będzie sprawnie funkcjonowało przez lata należy odpowiednio skrupulatnie je zaprojektować.

Jeśli czujesz, że przedsięwzięcie Cię przerasta a stoisz przed wspaniałym wyzwaniem jakim jest modernizacja lub budowa laboratorium – zapraszam do konsultacji. Chętnie pomogę, dobiorę wyposażenie i sprzęt pomiarowy oraz przeprowadzę przez proces od projektu CAD, przez wbicie łopaty po pierwsze własne świadectwo wzorcowania lub raport pomiarowy.

Powodzenia!